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魚類機(jī)器人的 設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)分析 摘要 本文介紹設(shè)計(jì)與分析 “魚樣水下機(jī)器人 ” 。 為了發(fā)展游泳機(jī)器人像一 條 真正的魚類，廣泛的動(dòng)力分析 引用在 研究魚類 的 生物學(xué)特別是其機(jī)動(dòng)性和推進(jìn)作 用 。 模擬游泳是為了實(shí)現(xiàn) 游泳。 這是 快速 模擬游泳 用它的尾巴和腳 來進(jìn)行推進(jìn)。為了 產(chǎn)生 旋渦 的配置，提供高效率的旋渦推 動(dòng)，已經(jīng)應(yīng)用 尾鰭 來 偏航和 沖擊。 為了 潛水 ，保持身體平衡 ，使用 一對胸鰭 來運(yùn)動(dòng)。 我們已經(jīng)推導(dǎo)出 兩種方法。 在第一種方法 中 ，我們使用水下航行器的運(yùn)動(dòng)方程 關(guān)于 勢流理論的力量推進(jìn)。在第二種方法中，我們 使 用 水下機(jī)器人，機(jī)械手）的 運(yùn)動(dòng)方程 。然后，我們比較這些結(jié)果。 Ⅰ 在許多方面魚是非常令人印象深刻的運(yùn)動(dòng)員，游泳潛水機(jī)器人可以像魚一樣 比潛艇 更優(yōu)于 使用 推動(dòng) 。例如，魚 類 機(jī)器人可能更安靜，更靈活 ， 可能更節(jié)能。 大約 70 年前 ， 生 提出了所謂 悖論 ， 刺激大量的研究和爭議 [1]， [2]， [3] 。悖論表明，如果一個(gè) 活躍 的 游泳海豚 的阻力 等于一個(gè)剛性模型拖 著 同樣的速度，海豚肌肉必須能夠產(chǎn)生比典型的哺乳動(dòng)物肌肉 [1]至少 多 7 倍的能耗。在最近 多年來， et 3], [4], [5]提出了一種 他提 出 ，魚能夠利用能源 ，在一個(gè)激流 存在的漩渦 中，通過貯藏渦 和魚的振蕩游泳運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致流動(dòng) 力 [13]。 各種各樣的推進(jìn)計(jì)劃 已經(jīng) 進(jìn)行了調(diào)查，大多數(shù)魚類 的調(diào)查已經(jīng)側(cè)重于 泳 中 ， 當(dāng) 推進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要局限于 身體后部 三分之一的尾巴 [ 12 ] 時(shí)， 魚身體 前部 三分之二 就用一個(gè)剛性 方式 移動(dòng) 。 準(zhǔn) [16],[17]在 標(biāo) 準(zhǔn)控制仿射形式的方法 和 幾何框架 上 通過降低拉格朗日 導(dǎo)出了一個(gè)下沉探測片 的運(yùn)動(dòng)方程。截至目前，許多實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)的分析 被濃縮 在魚 類 機(jī)器人 [10] ， [ 1 1 ] ， [ 15] 正向 和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 上。 在本文中，我們考慮設(shè)計(jì)一個(gè) 類 機(jī)器人及其三維動(dòng)態(tài)分析。我們已經(jīng)推導(dǎo)出魚 類 機(jī)器人 的 運(yùn)動(dòng)方程的兩種方法。我們 使用 勢流理論的力量 和 水下機(jī)器人，機(jī)械手）尾的方法。然后，我們比較這些成果。其余的文件 被編 織 如下。 第 2節(jié)介紹了 魚類機(jī)器人（ 設(shè)計(jì) 。 第 3節(jié)介紹了魚 類 機(jī)器人 的 動(dòng)態(tài)模型 。 第 4 節(jié) 包 含 一些結(jié)論性意見。 我們嘗試建立一個(gè)高速，潛水魚機(jī)器人。為 了 高速，我們模仿金槍魚 的 弦月形的尾巴。金槍魚的身體非常 堅(jiān) 硬 和 精簡 能 適用于高速。 為了潛水 我們使用一對升力的胸鰭 ，為了 轉(zhuǎn)折點(diǎn) 我們使用 腹鰭。我們嘗試發(fā)展股型魚類機(jī)器人 ， 幾個(gè)部分 作為 動(dòng)力裝置和一個(gè)控制單元。那個(gè)魚 類 機(jī)器人名叫 5公斤的體重。圖 1和圖 2是一個(gè) 圖片和示意圖 。 它包括一個(gè)尾部裝置，一套電池組，一個(gè) R/一個(gè)胸鰭股。 為了 兩個(gè)鏈接尾部裝置有一個(gè)遙控汽車和 防 爆裝置 ，這是一個(gè)欠系統(tǒng)電機(jī)。 3300氫。 R/C 組合 是 包含一個(gè) 射頻接收器和 一個(gè) 8051控制器。 為了轉(zhuǎn)折點(diǎn)和上下動(dòng)議胸鰭單位 裝 有 兩 個(gè)舵機(jī)和機(jī) 芯。 魚類機(jī)器人 的 身體形態(tài)影響大力推進(jìn)性能 和 游泳速度。當(dāng)然 ， 在游泳 時(shí) 希望有小的阻力 。然而， 只有 流體力學(xué)因素我們不能決定體形 。 圖 圖片 圖 結(jié)構(gòu) 因?yàn)椋仨毷侵亓透×α?的 平衡中心，每個(gè)機(jī)械部件 的 位置 受限制 。 身體的設(shè)計(jì)點(diǎn) 如下。 身體形態(tài)相匹配的機(jī)械部件 的 位置 ， 要求 均衡設(shè)計(jì)總量（位移）和總重量 , 要求 平衡形狀的重心和浮力點(diǎn) ， 要求 一些阻力 ， 要 有 一些水流量的干擾 圍繞著尾鰭， 一個(gè)簡單的形狀，便于更好地建設(shè)。 在本節(jié)中，我們將得出 A. 模使用勢流理論 在第一種方法 中， 我們認(rèn)為， 通過 尾振蕩 硬和強(qiáng)硬，它 外力 的一種 作為 阻力， 推力 ，等等。我們假設(shè)流體是 非粘性的 ，不可壓縮， 不旋轉(zhuǎn) 和理想流體。根據(jù)這些水動(dòng)力和扭矩 作用于探測片被確定使用 勢 流理論 [6] [7] 。為了 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制器設(shè)計(jì) ， 存在和自由 的 影響和中央渦被忽略 并 被視為干擾。 1）魚體 的 動(dòng)力學(xué)方程： 剛體的運(yùn)動(dòng)在三維空間可以表示為 [14] ： 是慣性矩陣和魚體 的 科 式 /心矩陣，分別 ,η是 魚 類 機(jī)器人的慣性框架 ， q 是魚 類 機(jī)器人 的 速度 對身體固定框架（ ）和 τ給出了： 表示回復(fù)力和力矩 ，由于重量和浮力， 表示強(qiáng)度和力矩 ， 由于不同類型的阻尼， 表示增加質(zhì)量強(qiáng)度 和 力矩， 由于周邊流體 的 慣性 ， 表示強(qiáng)度， 由于移位 流體 的 慣性矩陣和 表示 通用外力 被認(rèn) 為強(qiáng)度通過尾振蕩 。最后的運(yùn)動(dòng)方程給出： 其中 J 是 架 的轉(zhuǎn)換模型 ， 注意 慣性框架， 在魚類 機(jī)器人和液體 之間 是相對加速度 ， 其他 強(qiáng)度和力矩 給出方式： 是迎角。 2 ）外力的尾振蕩：考慮一橢圓 位置 在復(fù)平面 與 X∈ R 在方向弦長， 和 Y ∈ 圖像 根據(jù)射 由： α 和ζ c 確定探測片的形狀。 復(fù)雜 電位 繞流 由： 這里 ， ,和 U （ t ） ,V （ t） 是 重新絕對速度 ， 在平行和垂直方向金屬箔的共鳴， 和 Ω（ t ）是鋁箔 的 角速度。 γc 是 中央旋渦的力量，和 γ(ζk(t)) k = 1 ,… ,強(qiáng)度和 渦 的定位件 。一旦復(fù)勢已經(jīng)確定，我們可以 導(dǎo)出每強(qiáng)度 單位跨度沿 X 和 和 湯姆遜的方法 [6]。 附加質(zhì)量系數(shù) 目前是： 和 是線性速度 在 面上 ， Ω 是角速度，我們 產(chǎn)取 我們不認(rèn)為自由和中央旋渦， γc,γ 于 0 。然后， 強(qiáng)度 和扭矩 每 單位跨度 質(zhì)量通過 尾振蕩： 然后 其中 p 是水的密度。 建模使用 在 這個(gè)分段 中，我們 將 為 定一個(gè)動(dòng)態(tài)模型使用凱恩動(dòng)力學(xué)方程。我們將選擇 N=8廣義系統(tǒng) 的 速度： 在 慣性框架的 是魚 類 機(jī)器人 的 線性速度， 在 慣性框架的 標(biāo)系 中 是 魚 類 機(jī)器人 的 角速度，和 是 連接 腳 的速度 和尾巴 ， 圖 3顯示 2個(gè) 魚類機(jī)器人 的構(gòu)件尺寸配合 使用 9]。 圖 2個(gè)三位坐標(biāo)系使用 方法 1 ）運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：該運(yùn)動(dòng)的任務(wù)是更聽話和有系統(tǒng)的，如果我們利用調(diào)框架。圖 1顯示 的 坐 標(biāo) 已經(jīng)選定為我們的系統(tǒng)。 坐標(biāo)系，給出方式： 表示在右邊 兩個(gè)均勻載體 的 物理坐標(biāo) 疊加， 是齊次變換 從 坐標(biāo)系 P 到 坐標(biāo)系 B,和 是連線 P 的位置 矢量 表示 連線 T 的位置 矢量 關(guān)于 魚體 的 角速度對 于 慣性 E 圖像 ，表示在 標(biāo)系 中 ： 隨機(jī)編碼 是指在一個(gè)單位載體 ， 符號 指 B 的 角速度 ，在 E 圖像中 表示 的 角速度和尾巴對慣性框架在 ，給出了： 表示 的 旋轉(zhuǎn)子 ， 是 腳 的 角速度 和 是 尾巴 的 角速度 。 性速度 的 慣性表達(dá)了 標(biāo) 系統(tǒng)是由： 一個(gè)腳或尾巴關(guān)于慣性框架 的 性速度 ， 表示在 標(biāo)系，給出了： 該角加速度關(guān)于車輛 的 帶有慣性框架，表示在 腳或尾巴 的 角加速度對慣性框架表示 在 標(biāo)系 中被 發(fā)現(xiàn)如下： 車輛 性加速對慣性框架 ， 表示 在 由： 腳或尾巴 的 表示 在 發(fā)現(xiàn)如下： i 表示 腳或尾巴。 2 ）慣性力：在 系統(tǒng) 要求 的 慣性力 下 ， 在 系統(tǒng) 中 我們制定表達(dá)式的慣性力和每一部分 的 扭矩。身體 ， 腳和尾巴 的 慣 性力，給出如下： 表示魚體， 腳和尾巴 的質(zhì)量。身體， 腳和尾巴 的慣性扭矩 給出如下： 在 標(biāo)系 中 表示 魚體，腳或尾巴 的中心慣性力 。廣義 慣性力現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，以獲取如下： 3 ）重力： 在 系統(tǒng) 中 重力可以被視為 物體的 每一部分 的中心所受到的力 。該 力由于重力作用于魚體，腳和尾巴 被表示如下 ： 是重力矢量在 。廣義力由于重力 被表示如下 ： 4 ）水動(dòng)力：在水下環(huán)境 下 流體動(dòng)力 導(dǎo)致 剛體 運(yùn)動(dòng) 非常復(fù)雜 和 高度非線性 。該力可能被 開發(fā)利用不可壓縮流體使用 程，而且很少導(dǎo)致封閉形式的解決方案。附加質(zhì)量 ， 浮力， 阻力的影響，往往視為每一個(gè)力 的疊加 。 附加質(zhì)量力的結(jié)果，流體的相互作用 ， 在水下鏈接 的附近 是 加速通過流體壓力分布。這 力 需要加快周圍的流體產(chǎn)生一個(gè)有效的慣性 ， 可模仿 6 × 6正定附加質(zhì)量慣性矩陣， 的來說， 附加質(zhì)量矩陣 的 36個(gè)要素 ,一個(gè) 在 真正的流體 中的 機(jī)構(gòu) 清晰和確定 可 通過 實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)。它已經(jīng)顯示出了et [8] ，可 被推導(dǎo)出 14] ， 水下機(jī)構(gòu)的 慣性力和扭矩 導(dǎo)致附加質(zhì)量的現(xiàn)象有以下形式： 和 是斜對稱矩陣， × 6附加質(zhì)量矩陣 ,在 身體，腳或尾巴中表示 兩個(gè)方程 得 到結(jié)果 我們可以 從 流體的相對加速度和速度 推導(dǎo)到 下列關(guān)系： 是流體的速度表示在 標(biāo)系中， 在 標(biāo)系中 是流體的加速度。慣性力和力矩的最后形式造成的附加質(zhì)量如下： 在 整個(gè)系統(tǒng) 中 廣義慣性力的增加 ,然后考慮如下： 這是一個(gè)籠統(tǒng)的提法，水動(dòng)力和扭矩 結(jié)合到 動(dòng)態(tài)模型。否 任何假定有必要就附加質(zhì)量矩陣的系數(shù) 進(jìn)行推導(dǎo) 。 浮力 于密度 成正比 ， 身體，腳和尾巴和行為通過身體，腳和尾巴浮力的中心。對于 均勻?qū)ΨQ形狀，中心的浮力和質(zhì)心是相同的。 對于 模型，我們認(rèn)為，浮力通過 身體 ，腳或尾巴的中心機(jī)構(gòu)，給出了以下內(nèi)容： 其中， p 是 的 密度， 是液體的體積 ， 是重力矢量 在 。廣義力 由于浮力 給出以下內(nèi)容 ： 該 類似浮力 于 流體流離失所成正比，但結(jié)果 加速流體本身。該 力 由于 通過中心浮力給出了： 廣義力由于 出 以下內(nèi)容： 是 身體， 腳或尾 的 參考 面積， 是矩形的寬度， 是微元 的 長度。 是的阻力系數(shù)， 和 和 是 機(jī)構(gòu) 的 相對速度。那個(gè)阻 力 系數(shù) 是部分幾何形狀 的 一個(gè)功能和流體氣流角。它可以代表： 是形狀參數(shù)，和 之間的夾角是流體 的 相對速度和部分縱軸。廣義力由于阻力和扭矩 得出如下 ： 5）動(dòng)態(tài)模型：廣義慣性力和 廣義力通過 魚 的 身體，腳，和尾部 ， 運(yùn)動(dòng)方程被發(fā)現(xiàn)取得下列動(dòng)態(tài)模型： 后，我們提出以下形式： 是 聯(lián)合可變矢量 ， 是 慣性任期 的 矩陣 ， 是矩陣任期和 是 重力效應(yīng) 的 矢量 四 五 機(jī)器人 維動(dòng)態(tài)方程與腳和尾巴已經(jīng)開發(fā)利用潛力流理論與在第一種方法 中 ，我們使用剛體 的 非線性動(dòng)力學(xué)方程 通過 尾振蕩獲得勢流法。我們認(rèn)為，魚體有許多其他 力 ， 例如 升降機(jī)，浮力，重力和尾巴振蕩 的外力。外 力 得到了勢流理論。這些方程有一些缺點(diǎn)。由于限制控制投入，我們必須確保約束。凱恩提供 了 的辦法，把外力進(jìn)入模式。 在這個(gè)模型中外部動(dòng)力包括 ：浮力，阻尼，附加質(zhì)量， 其他外部力量包括重力和每一部分 的 力矩。這可能有利于在未來的應(yīng)用進(jìn)行腳和尾巴協(xié)調(diào)控制，以便魚的身體達(dá)到規(guī)定的 樣 式。 圖 標(biāo)位置圖利用勢流理論 和 方法 圖 4顯示 的 結(jié)果使用兩個(gè)方法在兩個(gè) 尺寸 。紅線是流動(dòng)法 的結(jié)果， 藍(lán)線是凱恩的方法 的結(jié)果 。我們可以看到幾乎類似的路線。我們可以考慮魚 類 機(jī)器人 的 體 的 了使用尾巴的 力矩作 為推進(jìn) 力矩 。 、 在未來，我們 通過實(shí)驗(yàn)嘗試比較這些仿真動(dòng)力學(xué)方程 的 結(jié)果和 擴(kuò)充 三維仿真。 參考文獻(xiàn) [1]“of h e 935. 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